Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ ГИРОКОМПАСИРОВАНИЯ ТРЕХОСНОГО ГИРОСТАБИЛИЗАТОРА
СПОСОБ ГИРОКОМПАСИРОВАНИЯ ТРЕХОСНОГО ГИРОСТАБИЛИЗАТОРА

СПОСОБ ГИРОКОМПАСИРОВАНИЯ ТРЕХОСНОГО ГИРОСТАБИЛИЗАТОРА

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Способ предназначен для азимутального ориентирования подвижных объектов, имеющих системы управления с трехосными гиростабилизаторами. В исходном положении при помощи двух горизонтальных акселерометров оси чувствительности двух горизонтальных гироскопов горизонтируют вместе с платформой гиростабилизатора, на которой они установлены. Ось чувствительности вертикального гироскопа удерживают в вертикальном положении. Затем гиростабилизатор переключают в режим гирокомпаса путем формирования при помощи датчика момента вертикального гироскопа момента коррекции, пропорционального углу отклонения платформы гиростабилизатора от плоскости горизонта. Один из акселерометров переводят в режим автоколебаний, используют его выходной сигнал для выделения составляющих, пропорциональных угловой скорости и угловому ускорению компасного движения платформы гиростабилизатора, которые после усиления и преобразования суммируют и используют для формирования дополнительного момента коррекции вертикального гироскопа. Затем после приведения платформы гиростабилизатора к направлению меридиана один из гороскопов переводят в режим автоколебаний и по его информации уточняют азимутальное положение платформы гиростабилизатора. Изобретение позволяет сократить временные затраты и повысить точность при определении направления меридиана трехслойным гиростабилизатором. 2 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2131113
Класс(ы) патента: G01C19/44
Номер заявки: 96100621/28
Дата подачи заявки: 16.01.1996
Дата публикации: 27.05.1999
Заявитель(и): Рыбаков Вадим Иванович
Автор(ы): Рыбаков В.И.
Патентообладатель(и): Рыбаков Вадим Иванович
Описание изобретения: Изобретение относится к области измерительной техники, конкретно к той ее части которая занимается вопросами азимутального ориентирования подвижных объектов, имеющих в системах управления гиростабилизаторы.
Из литературы [1] известно, что режим гирокомпаса трехосного гиростабилизатора, или его гирокомпасирование как процесс может быть реализован при помощи элементов самого гиростабилизатора: акселерометров, гироскопов или командных датчиков угла различными способами.
Наиболее близким по технической сущности следует считать способ гирокомпасирования трехосного гиростабилизатора [2], заключающийся в том, что в исходном положении при помощи двух горизонтальных акселерометров оси чувствительности двух горизонтальных гироскопов горизонтируют вместе с платформой гиростабилизатора, на которой они установлены, а ось чувствительности вертикального гироскопа удерживают в вертикальном положении, затем гиростабилизатор переключают в режим гирокомпаса путем формирования при помощи датчика момента вертикального гироскопа момента коррекции, пропорционального углу отклонения платформы гиростабилизатора от плоскости горизонта.
Недостатком этого способа, как и других способов, реализованных в трехстепенных гирокомпасах, следует считать сравнительно низкое быстродействие и точность, поэтому режим гирокомпасирования занимает достаточно много времени, а направление меридиана определяется недостаточно точно.
Это происходит потому, что сигнал, подаваемый от акселерометра для формирования момента коррекции вертикального гироскопа, пропорционален углу отклонения платформы от плоскости горизонта. При движении платформы к меридиану величина этого угла уменьшается, уменьшается и момент коррекции, а следовательно и скорость прецессии платформы. Усиление сигнала в усилителе приводит к нарушению апериодического (компасного) движения платформы. Поэтому у известных ТГС прецессия платформы к меридиану занимает достаточно много времени.
Низкая точность определения меридиана современными ТГС объясняется тем, что точностные характеристики гироскопов соответствуют заданным требованиям выполнения основной задачи объекта стабилизации и часто не позволяют обеспечить повышенные требования по точности азимутального ориентирования ТГС.
Целью настоящего изобретения является сокращение временных затрат и повышение точности при определении направления меридиана трехосным гиростабилизатором.
Эта цель достигается тем, что один из акселерометров переводят в режим автоколебаний, используют его выходной сигнал для выделения составляющих, пропорциональных угловой скорости и угловому ускорению компасного движения платформы гиростабилизатора, которые после усиления и преобразования суммируют и используют для формирования дополнительного момента коррекции вертикального гироскопа, а затем, после приведения платформы гиростабилизатора к направлению меридиана, один из гироскопов переводят в режим автоколебаний и по его информации уточняют азимутальное положение платформы гидростабилизатора.
Сущность предлагаемого способа гирокомпасирования трехосного гиростабилизатора может быть показана при помощи принципиальной схемы, которая представлена на фиг. 1.
В состав ТГС для гирокомпасирования входят: два горизонтальных гироскопа Г2, Г3, один вертикальный гироскоп Г1 и два горизонтальных акселерометра А2, А3, установленные на платформе 1, заключенной при помощи рамок 2 и 3 в карданов подвес, с тремя степенями свободы и тремя стабилизирующими двигателями СД1, СД2, СД3, которые отрабатывают сигналы рассогласования соответствующих следящим системам [2]. На фиг.1 показаны системы координат: OXпYпZп, связанная с платформой, и ONLζ, оси которой ориентированы по сторонам света, причем ось ON направлена на север, ось OL направлена по вертикали места, а ось Oζ направлена на восток. Тогда плоскость NOζ является плоскостью горизонта, а плоскость NOL - плоскостью меридиана. Эта СК имеет проекции угловой скорости ωз суточного вращения Земли: горизонтальную ωN = ωзcosϕ = ωг и вертикальную ωL = ωзsinϕ = ωв.
Взаимное положение CK OXпYпZп и ONLζ определяется углами α1, α2, α3 поворота платформы, которые имеют место при произвольном состоянии платформы. Указанные углы могут иметь различные значения, поэтому перед гирокомпасированием гиростабилизатора необходимо привести платформу в исходное положение, которое характеризуется тем, что оси чувствительности горизонтальных гироскопов Г2 и Г3 вместе с платформой горизонтируют при помощи следующих систем (см. фиг. 1). Для этого используют сигналы от акселерометров А2, A3 через усилители коррекции К2, К3, датчики моментов ДМ2, ДМ3. Далее сигналы с датчиков угла ДУП2, ДУП3 гироскопов Г2, Г3 через усилители УСС2, УСС3 поступают на стабилизирующие двигатели СД2, СД3, которые поворачивают платформу вместе с гироскопами и акселерометрами к установившимся значениям углов.
Вертикальный гироскоп при этом вертикализуется, а ось чувствительности удерживается в вертикальном положении при помощи следящей системы в составе: датчик угла ДУ1, усилитель К1 и далее, как показано на фиг. 1, по цепочке ДМ1, ДУП1, УСС1 и СД1.
Для реализации предлагаемого способа гирокомпасирования дополнительно к схеме трехосного гиростабилизатора необходимо подключать в нужные моменты времени, о чем будет сказано, дополнительные, но известные устройства [3, 4] : автогенератор 4 акселерометра A3 с формирователем производных 5 и генератором тактовой частоты 8, а также автогенератор 6 гироскопа Г3 с измерителем азимута 7.
Для перевода гиростабилизатора в первый режим гирокомпаса необходимо повысить чувствительность акселерометра А3. Известно [4], что автоколебательный режим акселерометра, например, при помощи автогенератора 4, способен повысить его чувствительность, что помогает при помощи формирователя производных 5 из сигнала акселерометра A3, пропорционального углу α3, выделить, также известно образом [3], сигналы, пропорциональные первой а3 и второй а3 производным угла отклонения платформы от плоскости горизонта, т.е. при помощи известных устройств могут быть измерены угловая скорость и угловое ускорение компасного движения платформы гиростабилизатора.
При включении ключа Кл1 в верхнее положение появляется возможность при помощи усилителя коррекции в датчике момента ДМ1 и ДМ3 сформировать моменты коррекции M*к1 и M*к3 вида

M*к3 = K333).
Тогда уравнения движения платформы относительно двух осей OYп и OZп примут вид, аналогичный [2]:


где правые части уравнений аналогичны указанным на стр. 598 [2].
Математическое моделирование уравнений (2) с учетом правых частей показало, что введение первой а3 и второй а3 производных угла а3 в закон коррекции вертикального гироскопа способствует повышению быстродействия режима гирокомпасирования ТГС.
Степень повышения быстродействия гирокомпасирования зависит от выбора коэффициентов S1, S11, S12, S3.
Действительно, решение уравнений (2) имеет вид:
α1(t) = α10exp(-h1+iω1)t+α12(t);
α3(t) = α30exp(-h1-iω1)t+α32(t),
где α10 и α30 - начальные углы отклонения платформы от плоскости меридиана и горизонта соответственно, α12(t), α32(t) - частные решения, определяемые правыми частями уравнений (3): вещественная и мнимая части корней уравнений (3).
Найдено оптимальное соотношение коэффициентов момента коррекции: S1 = K1/H1 = 126,59 1/с, S11 = K11/H1 = 2450 б/р, S12 = K12/H1 = 10000 с, S3 = K3/H3 = 0,0189 1/с, при которых время приведения платформы от начального угла α10 = 90 град. к направлению меридиана с погрешностью Δα1уст = - (1o - 10 угл.мин), составило не более tпр = 20 - 38 сек, соответственно.
В известных гирокомпасах без производных в законе управления вертикальным гироскопом значения коэффициентов и время составляет tпр = 980 сек, т.е. предлагаемый способ гирокомпасирования имеет повышенное быстродействие.
После окончания переходного процесса азимутальное положение оси OXп платформы будет сохраняться в пределах погрешности Δα1уст за счет работы системы коррекции вертикального гироскопа (ключ Кл1 в правом положении) в составе: датчика угла ДУα1, усилителя коррекции К1, датчика момента ДМ1, датчика угла ДУ1, усилителя УСС1, стабилизирующего двигателя СД1.
Положение платформы относительно горизонтальных осей OXп и OZп будет отслеживать плоскость горизонта по сигналам акселерометров А2 и А3, причем относительно оси OXп работает система маятниковой коррекции в составе: акселерометра А2, усилителя К2, датчика момента ДМ2, датчика угла ДУ2, усилителя УСС2, а по оси OZп - в составе: акселерометра А3, усилителя коррекции К3, контактов ключа КЛ2, датчика момента ДМ3, датчика угла ДУ3, усилителя УСС3 и стабилизирующего двигателя СД3. В таком положении предварительного ориентирования платформа может находиться как угодно долго.
Для уточнения азимутального положения оси OXп платформы необходимо выполнить переключение элементов ТГС. По общей команде ключи Кл2 и Кл3 устанавливаются в верхнее положение. При этом гироскоп Г3 переводят в режим автоколебаний при помощи автогенератора 6, а датчик угла ДУП3 отключается из цепочки горизонтирования и подключается к измерителю азимута 7. Горизонтирование платформы относительно оси OXп при этом должно сохраниться, т.к. выход усилителя коррекции К3 будет подключен на вход усилителя УСС3.
Уточнение положения оси OXп платформы от направления меридиана происходит по информации гироскопа Г3, работающего в режиме автоколебаний а соответствии с известным способом [4] функционирования измерительных устройств.
Принцип уточнения азимутального положения оси OXп показан на фиг. 2, где обозначено: N - северное направление меридиана, OXп - отклонение оси платформы на угол Δα1уст, величину которого необходимо измерить при помощи гироскопа Г3, переключенного в режим автоколебаний за счет наличия в схеме автогенератора 6 нелинейного звена, имеющего статическую характеристику в виде, например, петли гистерезиса.
Применяя известную теорию автоколебаний [4] к режиму двухстепенного гирокомпаса, получили формулу, устанавливающую связь между разностью импульсов n2 - n1 на выходе измерителя 7 и азимутом Δα1уст оси OXп платформы
n2-n1 = HωгfтToΔα1уст/KдмIo, (4)
где Hωг - направляющий момент гирокомпаса,
fт - частота тактовых импульсов,
Т0 - период автоколебаний,
КДМ - коэффициент датчика момента гироскопа,
I0 - величина тока в режиме автоколебаний.
Математическое моделирование режима автоколебаний гироскопа Г3 с учетом выражения (4) показало, что использование автоколебательного режима гироскопа Г3 способствует повышению его чувствительности как измерителя отклонения платформы от направления на север, которое в свою очередь приводит к повышению точности определения азимутального положения ТГС.
Для современных гироскопов с нестабильностью уходов независимых от ускорения порядка ωд = 1·10-2 угл. мин/мин, использование тактовых импульсов с частотой fт = 1 · 107 Гц и при автоколебаниях с частотой f0 = 1/T0 = 50 - 100 Гц получено повышение чувствительности более чем в ~10 раз, что позволит обеспечить точность определения азимутальной ориентации ТГС на уровне 30 угл.сек при прочих равных условиях.
Без режима автоколебаний гироскоп с дрейфом ωд = 1·10-2 угл.мин/мин позволяет уточнить положение меридиана с погрешностью Δα1уст = ωдг = 1·10-2/7,5 = 1,3·10-3 рад ~5 угл.мин.
Приведенные результаты исследований подтверждают, что заявленная цель изобретения может быть достигнута за счет осуществления двойного гирокомпасирования: вначале - режима трехстепенного гирокомпаса с повышенным быстродействием, а затем осуществлением режима двухстепенного гирокомпаса повышенной чувствительности.
Источники информации
1. Б. И.Назаров и др. Командно-измерительные приборы. МО СССР, 1967, с. 588.
2. Там же, с. 592-605.
3. В. Б. Давыдов и др. Функциональная обработка сигналов в автономных системах навигации и управления подвижными объектами. Приборостроение N 4, 1990, с. 37-42.
4. А. И. Скалон. Обобщенный анализ характеристик прецизионных датчиков механических величин, работающих в режиме автоколебаний. Измерительная техника N 3, 1990, с.7-8.
Формула изобретения: Способ гирокомпасирования трехосного гиростабилизатора, заключающийся в том, что в исходном положении при помощи двух горизонтальных акселерометров оси чувствительности двух горизонтальных гироскопов горизонтируют вместе с платформой, на которой они установлены, а ось чувствительности вертикального гироскопа удерживают в вертикальном положении, затем гиростабилизатор переключают в режим гирокомпаса путем формирования при помощи датчика момента вертикального гироскопа момента коррекции, пропорционального углу отклонения платформы от плоскости горизонта, отличающийся тем, что, с целью сокращения временных затрат и повышения точности определения направления меридиана, один из акселерометров переводят в режим автоколебаний, используют его выходной сигнал для выделения составляющих, пропорциональных угловой скорости и угловому ускорению компасного движения платформы гиростабилизатора, которые после усиления и преобразования суммируют и используют для формирования дополнительного момента коррекции вертикального гироскопа, а затем, после приведения платформы гиростабилизатора к направлению меридиана, один из гироскопов переводят в режим автоколебаний и по его информации уточняют азимутальное положение платформы гиростабилизатора.